胶黏剂化学胶接基础西南林业大学.ppt
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1、第二章 胶接基础,第二章 胶接基础,第二章 胶接基础,本章主要内容,胶接的各种理论(机械、物理、化学、扩散、静电)胶接界面化学影响胶接强度的因素胶接流变学与胶接破坏胶黏剂的基本条件木材胶黏剂的选择,第二章 胶接基础,2.1 胶接的各种理论,1)机械胶接理论(Mechanical Entanglement/Interlocking Theory)液状胶黏剂渗到物体表面的凹凸不平处,或在毛细管张力的作用下,从表面敞开的管孔渗到细胞腔内,随着胶黏剂的固化或硬化,在其中形成许多小钩子或胶钉,把被胶接的物体连接起来。这种通过机械的方式对产生胶接力的一种解释理论称之为,适用于多孔性材料,1 胶黏剂必须是液
2、体或加热能变成液体;2 胶黏剂要有足够的固体含量,局限性:不能解释许多胶接现象,第二章 胶接基础,2)吸附胶接理论(Adsorption/Specific Adhesion Theory)胶黏剂与被胶接材料间通过物理吸附而连接起来的理论,物理吸附:分子间力的吸附,即范德华力场作用的结果,胶黏剂与被胶接材料间牢固结合的普遍性原因,胶黏剂分子与被胶接材料表面分子的相互作用有两个阶段:a.表面扩散;b.吸附力的产生,分子间距 510-10m,第二章 胶接基础,偶极力:极性分子间的引力,即偶极矩间的相互作用力。式中:偶极矩R距离;T绝对温度K波尔兹曼常数,诱导偶极力:由于受到极性分子电场的作用而产生的
3、。式中:分子极化率;偶极矩(永久,诱导),色散力:非极性分子间的作用力。式中:分子电离能,互相抵消,在范氏力中起主要作用,范德华力,第二章 胶接基础,结论胶黏剂与被胶接材料表面间的距离是产生胶接力的必要条件只要胶黏剂在固化或硬化前完全湿润被胶接材料的表面,分子间的作用力就足以产生很高的胶接强度。局限性胶黏剂充分湿润被胶接材料的表面是产生高胶接强度的必要不充分条件根据范德华力的大小计算出的理论胶接强度与实际相差很大,第二章 胶接基础,理论缺陷把胶接作用主要归功于分子间的作用力(弱力),不能圆满解释胶黏剂与被胶接物之间的胶接力大于胶黏剂本身的强度这一事实。无法解释胶接力的大小与剥离速度有关的事实。
4、不能解释极性的-氰基丙烯酸酯能胶接非极性的PS等现象;也不能解释高分子化合物极性过大,胶接强度反应降低的现象;网状结构的高聚物当分子量超过5000时,胶接力几乎消失等现象也不能解释。许多胶接体系无法用范氏力解释,而与酸碱配位作用有关。,第二章 胶接基础,沥青(酸性)+石灰(碱性),胶接好,沥青(酸性)+花岗岩(酸性),胶接差,钛酸钡(碱性)+酸性聚合物,性能好,钛酸钡(碱性)+聚碳酸酯(碱性),性能差,酸碱配位作用理论,第二章 胶接基础,酸碱配位作用理论,理论要点:被胶接材料与胶黏剂按其电子转移方向划分为酸性或碱性物质;电子给体或质子受体为碱性物质,反之则为酸性物质;胶接体系界面的电子转移时,
5、形成了酸碱配位作用而产生胶接力。酸碱配位作用实质上是分子间相互作用的一种形式,可视为吸附理论的一种特殊形式;氢键可作为酸碱配位作用的一种特殊形式作用:胶黏剂配方设计,第二章 胶接基础,3)扩散理论(Diffusion Theory),概念:链状分子所组成的胶黏剂,涂刷到被胶接材料的表面,在胶液的作用下表面溶胀或溶解。由于胶黏剂的分子链或链段的布朗运动,使分子链或链段从一个相进到另一个相中,二者互相交织在一起,使它们之间的界面消失,变成一个过渡区(层),最后在过渡区形成相互穿透的高分子网络结构,从而得到很高的胶接强度。关键点:胶黏剂的大分子与被胶接材料的表面要相容,即溶解度参数相近;扩散促进扩散
6、的措施:降低分子量;延长接触时间;提高胶接温度,第二章 胶接基础,贡献:可解释同种或结构、性能相近的高分子化合物的胶接作用。局限性:不能解释金属和陶瓷、玻璃等无机物的胶接现象;无法解释聚甲基丙烯酸甲酯(Mw=9万,溶解度参数=9.24)和聚苯乙烯(Mw=3万,溶解度参数=9.12)各自以7.5%的溶液共溶于甲苯中,而它们的固相却互不扩散的现象。,第二章 胶接基础,4)化学键胶接理论(Covalent Chemical Bonding Theory),胶接作用主要是化学键力作用的结果;胶黏剂与被粘物分子间产生化学反应而获得高强度的主价键结合,化学键包括离子键、共价键和金属键,在胶接体系中主要是前
7、二者。化学键力比分子间力大得多。1948年C.H.Hofricher Jr.等研究了胶接强度f与界面化学活性基团浓度C的关系(k=常数,n0.6):f=kCn,第二章 胶接基础,电子衍射法证明:硫化橡胶与黄铜表面形成硫化亚铜,通过硫原子与橡胶分子的双键反应形成化学键。铝、黄铜、不锈钢、铂等金属表面从溶液中吸附酚醛树脂时,均产生化学键连接。聚氨脂胶接木材、皮革等存在化学键胶接作用。,第二章 胶接基础,产生化学键的途径:活性基团偶联剂表面处理,第二章 胶接基础,活泼氢与-NCO、-COOH及-COCl反应,第二章 胶接基础,羟基与-NCO,R-CH2-OH反应,第二章 胶接基础,RCH2OH+HO
8、木质材料 RCH2O木质材料+H2ORCH2OH+HO纤维素 RCH2O纤维素+H2ORCH2OH+HO木素 RCH2O木素+H2O,第二章 胶接基础,偶联剂:一般含有两类反应基团的物质,其中一类可与胶黏剂分子发生化学反应;另一类基团或其水解形成的基团,可与被粘表面的氧化物或羟基发生化学反应,从而实现胶黏剂与被胶接表面的化学键连接。种类,X3Si(CH2)nY,X可水解基团,水解后生成羟基并与被胶接表面的基团发生反应。Y能与胶黏剂发生反应的基团。,硅烷及其衍生物,第二章 胶接基础,机械(如砂光)木材表面电晕放电 PE塑料表面等离子体 塑料、木材表面氧化、阳极化、酸洗 金属表面,第二章 胶接基础
9、,5)静电胶接理论(Electronic Theory),概念:将被胶接材料和固化的胶黏剂层理想化为电容器,即在胶接接头中存在双电层,胶接力主要来自双电层的静电引力。静电引力的产生是相1电荷场相2电荷场相互作用的结果。贡献:成功解释了粘附功与剥离速度有关的实验事实缺陷:静电引力(0.04MPa)对胶接强度的贡献可忽略不计无法解释用炭黑作填料的胶黏剂及导电胶的胶接现象无法解释由两种以上互溶高聚物构成的胶接体系的胶接现象不能解释温度、湿度及其它因素对剥离实验结果的影响,第二章 胶接基础,总结,胶接过程是一个复杂的过程,以上几种胶接理论既有实验事实作依据,又都存在有局限性。胶接效果是主价力、次价力、
10、静电引力和机械作用力等综合作用的结果。,第二章 胶接基础,2.2 胶接界面化学,2.2.1 胶接的主要过程胶黏剂的液化流动润湿扩散、粘接、吸附固化粘接体系的变形和破坏,第二章 胶接基础,2.2.2 固体表面上液体的平衡,图1-1 液体在固体表面上的浸润状态,SV=LV cos+SL S=SV+式中:SV 固/气界面张力;LV 液/气界面张力;SL 固/液界面张力;S 在真空状态下固体的表面张力;吸附于固体表面的气体膜压力,也称吸附自由能。对于有机高分子等低表面能固体,可以忽略不计。,Young公式,第二章 胶接基础,因此,对于有机高分子等低表面能固体来讲,S=SV,则 S=SL+LV cos(
11、118)当=180,cos=1,表示胶液完全不能浸润被胶接固体的状态,不可能。当=0,cos=1,代表完全浸润状态。当体系接近完全浸润状态时,式(118)可表示为 S(SL+LV)0 设=S(SL+LV),并称为铺展系数。用于描述浸润特性。对于一般有机物的液/固体系,SL可忽略不计,则有 S LV临界表面张力c:cos=1时的LV,获得良好胶接接头的必要条件,表面自由能高于c的液体,则有一定的接触角。,表面自由能低于c的液体,能完全润湿表面,第二章 胶接基础,A.对胶接体完全浸润状态,B.对胶接体完全不能浸润状态,第二章 胶接基础,2.3 影响胶接强度的因素,胶接强度,胶黏剂:分子结构,配方设
12、计,被胶接材料:性质,表面处理,操作工艺,环境:环境介质,应力状况,第二章 胶接基础,胶接强度,被胶接物的表面状态,弱界面层,内应力,交联度,极性,分子量及分子量分布,胶黏剂的固化,胶层厚度,木材比重纤维方向抽提成分,第二章 胶接基础,一、被胶接物的表面状态,表面粗糙度:是产生机械胶接力的源泉,机械胶接力是通过湿润和吸附作用而得到的。粗糙度系数R,有效胶接面积,胶接强度,但随后R的,胶接强度反而。其它因素:加压、表面润湿难易程度、材料比重木材表面纤维横断面的形状:被胶接的纤维材料的截面积以多边形为好。注 粗糙度系数R=真表面积/外表面的几何表面积,第二章 胶接基础,二、弱界面层,概念:当被胶接
13、的材料、胶黏剂及环境中的低分子物或杂质等,通过渗析、吸附及聚集等过程,在部分或全部界面内产生这些低分子物的富集区,这就是弱界面层。,第二章 胶接基础,弱界面层的产生条件胶黏剂与被胶接材料间的胶接力主要来源于物理吸附作用;低分子物在胶黏剂与被胶接材料中有渗析行为,通过渗析作用低分子物迁移界面形成富集区;低分子物对被胶接物的表面有比胶黏剂分子更强的吸附力,使被胶接物的表面产生新的吸附平衡,并形成低分子吸附层,对胶黏剂分子起了解吸作用。,第二章 胶接基础,三、内应力,来源:(1)胶黏剂的固化或硬化过程中体积的收缩;(2)胶黏剂与被胶接材料的热膨胀系数不同,在温度变化时产生内应力;(3)被胶接材料的各
14、向异性,在水分变化时,由于收缩膨胀的不同产生内应力;(4)比重不同的被胶接材料,其体积的收缩膨胀有差异,在大面积胶接中产生较大的内应力。,第二章 胶接基础,胶层含水率梯度邻近木材层含水率梯度胶层酸或碱浓度梯度,木材,类型,收缩应力,热应力,降低官能团浓度加入高聚物增韧剂加填充剂(填料),较低的固化温度模量低、延伸率高的胶,第二章 胶接基础,交联度(即交联密度),胶黏剂的内聚强度,交联点数目的增加,交联间距变短以及交联分子长度变短,胶黏剂硬、脆,内聚强度降低,四、交联度,第二章 胶接基础,一般来说,随着胶黏剂极性的增强,胶接强度先增后降。,DeBruyne认为:,极 性 材 料,五、极性,第二章
15、 胶接基础,六、分子量及分子量分布,分子量相同,而分子量分布不同,其胶接强度也是不同的,第二章 胶接基础,硬化:胶黏剂通过干燥、结晶等物理过程而变硬的现象固化:胶黏剂通过化学反应(聚合、缩聚等)提高强度等性能的过程溶液胶黏剂:热塑性高聚物,溶剂的挥发,硬化乳液胶黏剂:乳液中的水分渗透或挥发,胶体凝聚、硬化;环境温度成膜温度,形成连续的胶膜热熔胶黏剂:热塑性高聚物,加热熔融、流动,湿润被胶接物表面,冷却硬化热固性胶黏剂:体型结构的高聚物,固化,七、胶黏剂的固化,第二章 胶接基础,凝胶化:多官能团的原料或预聚体在进行化学反应的过程中,随着分子量增大的同时还进行着分子链的支化和交联,当反应达到一定程
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